（环境科学专业论文）巢湖蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化分析及资源化研究.pdf

摘要 需要经过1 0 天生物降解才可去除，因此发黄的藻类可以进行堆肥、产气的利用； 蓝藻的胞外多糖也具有广阔的利用前景，应在蓝藻衰亡的前3 0 天进行提取。 关键词：蓝藻；巢湖；颜色；形态；资源化利用 v 1 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c y a n o b a c t e r i ai nc h a o h u l a k ef o rt h es t u d yi st h ep r i n c i p a l f o c u s i n go nt h ec h a n g e so fa l g a eb l o o mi nc h a o h ul a k ew e s th a l ff o r ma p r i l 2 0 1 0t oo c t o b e r2 0 10 ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h l o r o p h y l lc o n c e n t r a t i o na n dd r y w e i g h to fc y a n o b a c t e r i a i nt h el a b o r a t o r y ，c y a n o b a c t e r i at os i m u l a t et h em i c r o b i a l d e g r a d a t i o np r o c e s s a l g a ee m e r g e n c ys a l v a g ea n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o nd a t at op r o v i d e t h es c i e n t i f i cb a s i sa n ds u p p o r t s t u d i e ss h o wt h a tf r o ma p r i l2 010t oo c t o b e r2 010p e r i o a ，t h ea l g a eo u t b r e a kw a s m a i n l yi nj u l ya n da u g u s t a n dt h em a i nc h a r a c t e r i s t i ci sh i g h e ri nt h ew e s ta n dl o w e r i nt h ee a s t ，s u r r o u n db yh i g ha n dm i d d l eb yl o w ；t h r e es a m p l i n gs i t e sc h l o r o p h y l l a v e r a g e ：m i d d l el a k e t a n g x ir i v e rb a n k t a n g x ib a n ko fc h l o r o p h y l lav a l u e si st h em o s tv o l a t i l e ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no f c h l o r o p h y l l a n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h l o r o p h y l lav a l u e sa n dt h ed r yw c = i # to f c y a n o b a c t e r i a , w ef o u n dt h a tc h l o r o p h y l lav a l u e sa n dap o s i t i v ec o r r e l a t i o no fd r y w e i g h ta l g a e , a n dl o w e rc h l o r o p h y l lav a l u e s ，t h es t r o n g e rt h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n b e t w e e nc h l o r o p h y l lav a l u e sa n dt o t a ld r yw e i g h to fc y a n o b a c t e r i at h ea n a l y s i sf o r t h er e l a t i o n s h i p ：y = o 0 0 0 2 x ，r z = 0 9 8 0 1 ；a tt h el o w e s tc o n c e n t r a t i o no fc h l o r o p h y l l av a l u e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r yw e i g h to fc y a n o b a c t e r i a i s ：y = 0 0 0 0 2 x 一0 0 0 9 5 ，= 0 9 9 9 4 t h u s ，a n a l y s i sa n dm o n i t o r i n gc h a n g e si n c h l o r o p h y l la v a l u e sc a nr e f l e c tt h ea m o u n to fc y a n o b a c t e r i ai nt h el a k eb o d yc h a n g e s b ye s t i m a t e , t h el o w e s tw e s t e r nh a l fo fc h a o h ul a k ec y a n o b a c t e r i a lb i o m a s sd r y w e i g h tw a s7 6 8 t t h ec o u r s eo fd y i n ga n dd e g r a d a t i o no fc y a n o b a c t e r i ac o l l e c t e df r o mc h a o h u l a k ew a so b s e r v e d ，a n a l y s i so fc y a n o b a c t e r i ai nt h ep r o c e s so fc o l o r , s m e l l ， m o r p h o l o g i c a lc h a n g e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec y a n o b a c t e r i ai n t h ed e c a y v p r o c e s s ，t h ea e r o b i ct r e a t m e n ts t a g ed e g r a d a t i o ns a v o r , e s p e c i a l l y i nt h ef i r s tt e nd a y s ， t h ec o l o ra n ds h a p ec h a n g es i g n i f i c a n t l y ；a n da l g a ea f t e r3 0d a y so fa e r o b i ct r e a t m e n t a n d7 0d a y so fa n a e r o b i ct r e a t m e n t ，a l m o s tc o m p l e t e l yd e g r a d e d b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，w es h o u l ds t r e n g t h e nt h ea l g a eb l o o mc h l o r o p h y l lc o n c e n t r a t i o n a n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sp r e - m o n i t o r i n gf o rt h ea l g a eb l o o mh a sn e 、他rb e e na l la c c u r a t e e a r l yw a r n i n g ，p r o v i d ep r o t e c t i o nf o re m e r g e n c ys a l v a g e e m e r g e n c ys a l v a g ei nc y a n o b a c t c r i a ，w e s h o u l dp a ya t t e n t i o nt ol o c a t i o na n ds a l v a g es a l v a g em o d ec h o i c e ，a n ds h o u l ds t r e n g t h e nt h e c o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u sp a r t s ，w h e r ec o n d i t i o n sp e r m i t ，t h ec l a s s i f i c a t i o no fc y a n o b a c t e r i a s a l v a g e f o rt h et r e a t m e n tr e s o u r c e sw i t hc a s c d e c l i n ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tl e v e l so fc y a n o b a c t c r i aa r ea l s od i f f e r e n ts u b s t a n c e sc o n t a i n e d i nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni nc y a n o b a c t e f i a , t h ec y a n o b a c t c r i as h o u l db ed i f f e r e n t i nd i f f e r e n t 哦f r e s hc y a n o b a c t e r i a lp h y c o b i l i p r o t e i nc o n t a i n i n gt h em o s ts u i t a b l ef o re x t r a c t i o n o fp r o t e i ns u b s t a n c e s ；d e c l i n eo f3d a y st h er e l e a s eo fc y a n o b a c t c r i aa l g a lp i g m e n tm a x i m u ma t t h i st i m ec a nb ep u r i f i e dp i g m e n t s ；a n da l g a lt o x i n sn e e dt ob eb i o d e g r a d a b l ea f t e r1 0d a y so f r e m o v a l ，s oy e l l o wa l g a ec a nb ec o m p o s t ，t h eu s eo fg a s ；c y a n o b a c t e r i a le x o p o l y s a c c h a r i d e sa l s o h a sb r o a dp r o s p e c t sf o r t h eu s e ，s h o u l dd e c l i n ei nt h ea l g a ee x t r a c tt h ef i r s t3 0d a y s k e y w o r d s ：c y a n o b a c t e r i a ；c h a o h ul a k e ；c o l o rc h a n g e r s ；m o r p h o l o g i c a lc h a n g e s ；l c s o 嘲 a n a l y s i s 第一章引言 第一章引言 1 巢湖及巢湖蓝藻情况概况 巢湖是我国五大淡水湖之一，地处长江和淮河流域之间，是沿湖地区工农 业生产和人民生活用水的重要水源地，同时也是渔业生产的重要基地【l 】。2 0 世 纪8 0 年代以来巢湖富营养化就引起了研究者的关注。1 9 8 9 年刘贞秋【2 】等人对巢 湖浮游蓝藻进行了研究，表明巢湖已属于蓝藻型富营养化湖泊。最近几年的研 究结果表明，巢湖富营养化指数较高，污染较为严重。巢湖蓝藻的研究与治理 成为了关注的重点。 1 1 巢湖流域简介 巢湖为中国第五大淡水湖，位于安徽省中部，入湖河流有南淝河、丰乐河、 上派河、柘皋河等，湖水经裕溪河注入长江，以盛产银鱼而闻名，并有蓄水、 养殖、灌溉之利【3 1 。巢湖以忠庙镇为分界，自西向东划分为两个区域，分别为 西半湖和东半湖，且东半湖面积大约为西半湖二倍。 1 1 1 巢湖的地理位置 巢湖位于安徽省中部，长江流域下游左岸，经纬度范围是东经1 1 7 。1 6 5 6 ” 一1 1 7 。5 1 4 6 ”，北纬3 1 。4 3 2 8 ”一3 l 。2 5 2 8 ”。湖区面积7 6 0 k i n 2 ，流域面 积1 3 4 8 6 k m 2 ，是我国著名的五大淡水湖之一，也是合肥市和巢湖市重要的饮用 水源地，在工业用水、农业灌溉、防洪、渔业、旅游等多方面具有重要功能，对 于安徽省社会经济发展和现代化建设具有重要意义【4 】。 1 1 2 巢湖的地形地貌 巢湖流域地势的总体轮廓是东西长、南北窄，西高东低、中部低洼平坦，形 成了巢湖盆地嘲。地形地貌按其成因所致分为构造侵蚀地貌、侵蚀剥蚀地貌及侵 蚀堆积地貌特点，形成的3 3 条入湖河流纵横交错汇入巢湖，其中裕溪河为巢湖 水入长江的主要通道。巢湖是在构造盆地基础上发育起来的，典型的断陷构成湖 泊，成湖的时间距今约l 万年左右。自然状态下的巢湖属于过流性湖泊，经主要 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 出口泄水注入长江，长江汛期江水倒灌入湖【6 1 。1 9 6 2 年建成巢湖闸控制水位后， 基本上切断了巢湖与长江在自然状态下的水量。当交换水位高时，开闸放水，水 位低时，引江水入湖。 1 1 3 巢湖的气象、水文 巢湖属于亚热带和暖温带过渡的季风气候区，全年平均气温为1 5 1 6 ， 无霜期2 2 4 - - 2 5 2 天，多年平均降雨量为11 0 0 m m ，夏季多发生暴雨，易形成洪涝 灾害 7 1 。巢湖湖盆岸线全长：1 8 8 7 k i n ，长轴为5 3 k m ，短轴为2 2 k m ，多年平均水位 8 4 m ，平均深度2 5 m ，多年平均入湖水量为4 8 亿m 3 , 出湖水量为3 4 亿m 3 ，水 面蒸发量6 3 亿m 3 ，总用水量7 7 亿m 3 ，巢湖入湖河流约3 3 条嗍8 。 1 1 4 巢湖的污染现状 近3 0 年来，由于巢湖流域内人口的快速增长及经济的高速发展，加之基础设 施的相对滞后，沿线城市主要污染物的排放量已经远远超过了水环境的承载能 力。水质恶化严重，生态系统功能退化，富营养化问题突出，这已严重威胁到区 域饮用水安全，制约了合肥市和巢湖市的经济可持续发展。同时长期居高不下的 富营养化态势，也引发了湖泊水生态系统的退化【9 】。1 9 9 9 - - - 2 0 0 4 年以来巢湖湖体 的水质已降至v 类或劣v 类，总磷( 1 1 p ) 、总氮( t n ) 等主要污染负荷大幅超标水 质恶化的趋势十分严峻【l o 】。根据2 0 0 6 - - 2 0 0 9 年中国环境状况公告对巢湖水体 富营养化调查资料的显示：巢湖水质总体为v 类，西半湖处于中度富营养化状态， 东半湖处于轻度富营养化状态，全湖富营养化状态指数约为6 0 ，富营养化状态总 体较为严重。根据1 9 9 9 - - 2 0 0 9 年的最新监测结果表明，影响巢湖富营养化的主要 指标为总磷和总氮，污染负荷主要来自于面源污染和生活污染；从主要污染物入 湖量分布来看，合肥市南淝河污染物入湖量最大，其次是区间地表径流及杭埠河 和派河。由此可见，以上3 条河流和湖区周围的地表径流是巢湖污染控制的重点 【l l 】。 1 2 巢湖蓝藻情况简介 蓝藻是一种最原始、古老的藻类生物，出现距今3 5 亿至3 3 亿年前，分布 十分广泛，但主要分布于淡水中。蓝藻由于含叶绿素a 和藻蓝素量较大，故细 2 第一章引言 胞大多呈蓝绿色，又叫蓝绿梨1 2 】。巢湖由于氮、磷等营养元素过量，在适宜的 条件下，蓝藻常大量繁殖，并在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫，俗称“水 华”。蓝藻的大范围爆发，不但会引起水质恶化，严重时会耗尽水中氧气引起鱼 类死亡，更严重的是蓝藻在衰亡过程中会释放毒素物质，除了对鱼类、人畜产 生毒害外，还是肝癌的重要诱酬1 3 - 1 6 1 。 1 2 1 蓝藻的种类及形态 1 2 1 1 蓝藻的分布及种类 蓝藻是一类古老的原核生物，能进行放氧光合作用。蓝藻分布广泛，适应力强， 生长在各种水体或潮湿土壤、岩石、树干及树叶水库、池塘等。目前已知的蓝 藻有1 5 0 0 多种，中国有记录的约9 0 0 种【1 7 】。蓝藻大量繁殖会形成水华，而且有 的水华藻种可以释放毒素物质。据不完全统计，目前已知产生毒素的淡水蓝藻约 1 2 属2 8 种，其中主要产毒藻属为微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) ，鱼腥藻属( a n a b a e n a ) 、 颤藻属( 傀c 谢矗幻，- 缸) 及念珠 藻属( n o s t o c ) 等【1 8 - 2 0 。 1 2 1 2 蓝藻的形态结构【2 1 之2 】 蓝藻的主要结构包括细胞壁、原生质体和气泡，有的还有特化细胞。 细胞壁：蓝藻的细胞壁较薄，主要由纤维素组成，但是细胞壁外有较厚的胶 质鞘，胶质鞘主要由果胶组成，呈现无色或黄、褐、红、蓝等颜色，胶质透明。 由于胶质鞘可以防止水分的蒸发，增加了蓝藻的抗早能力，这便是蓝藻分布广泛 的一个原因。 原生质体：由于蓝藻结构低级，它既没有核膜，也没有核仁，在细胞中只有 一个类似“细胞核 的“中心体 。在中心体周围含有大量色素，故蓝藻呈现蓝 绿色。 气泡：许多浮生蓝藻细胞具有空隙，内含气体，这种空隙，叫做气泡或假液 泡。它们的反光性较弱，在光学显微镜下观察可以看到，低倍镜下为黑色，高倍 镜下为深红色。 特化细胞：包括孢子( 外生孢子、内生孢子和厚壁孢子) 和异形胞。外生孢子 由亲本细胞向外部产生，内生孢子由亲本细胞内部产生，厚壁孢子是有厚的外膜 的细胞。特化细胞与营养细胞相比，无论是长度还是直径，相对而言都是比较大 3 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 的，而且其中还含有丰富的蓝藻蛋白。很多蓝藻都是具有固氮功能，但对于无异 形胞的蓝藻来说，它们只有在无氧的条件下才可以固氮，而有异形胞的丝状蓝藻， 在有氧的条件却也可以固氮，这是很特殊的。 1 2 2 蓝藻在巢湖中分布情况 根据张红等利用气象遥感对巢湖蓝藻的监测分析可知【2 3 2 4 】，从巢湖藻类爆发 的时间分布上看，主要集中在5 - 1 1 月份，其中1 0 月份发生的频次最高，其次为9 、 1 1 和8 月份，因此说夏秋两季为巢湖藻类的爆发季节；在藻类爆发的区域分布上， 巢湖的西半湖是藻类的主要爆发区域，而东半湖要次之；就藻类爆发的密集程度 而言，重度爆发都集中在西半湖，而中部一般为中度爆发，东部为轻度爆发。造 成这一现象的主要原因是：南淝河入湖口位于巢湖西半湖北端，由于合肥的生活 生产污水会排人南淝河，造成水体富营养化。因此西半湖入湖口处营养物质最为 丰富，富营养也最为严重，最容易爆发藻类，同时也容易成为藻类密集度最高的 区域。 根据刘贞秋、蒙仁宪的研究【 ，巢湖浮游藻类中，以蓝藻占绝对优势，其中 微囊藻属和鱼腥藻属是其主要组成，而形成巢湖水华的藻属主要是铜绿微囊藻、 水华微囊藻螺旋鱼腥藻。巢湖蓝藻于春季开始繁殖，夏季达到繁殖盛期，而秋季 达到数量顶峰，因此其数量为秋季 夏季 春季 冬季。而巢湖在冬季时，硅藻 数量较多，绿藻在春秋两季生长繁殖，但数量远远少于蓝藻。 2 巢湖蓝藻衰亡对周边环境的影响 2 1 蓝藻衰亡过程中释放的n 、p 对水质的影响 蓝藻在生长过程中，会吸收水中n 、p 等营养元素，合成自身的营养物质， 但当蓝藻死亡时，n 、p 等营养元素又会被蓝藻大量释放，这些静态内源释放导 致了湖泊水体维持较高的富营养化水平，因此湖泊沉积物实际上就是营养盐的蓄 存库。藻类残体的分解产生的大量颗粒态、溶解态和胶体态的营养盐，它们一部 分沉积到底泥中另一部分会为更多藻类的生长提供养分【2 5 1 。孔繁翔等研究表明 2 6 - 2 羽，蓝藻的生长与水华的形成可以分为休眠、复苏、生物量增加、上浮和积聚 形成水华等4 个主要的阶段。由此可见，衰亡的蓝藻若不及时从水体中除去，将 4 第一章引言 为下次蓝藻的爆发提供有利条件，同时，这些含氮量较高的营养盐在水中腐败， 也必然会引起水体的发黑发臭，影响了水质，污染了环境。 2 1 1 磷对水质的影响 磷浓度的高低常常被当做用来衡量湖泊生产力高低及富营养化水平的重要 指标【2 9 】。在天然湖泊中，大部分磷以有机态形式存在，而在有机磷中，7 0 以 上是以颗粒态磷形式存在。磷的这种颗粒态特性使得其进入水体后，很容易沉降 在湖底使得湖底沉积物中营养盐的含量远高于表层水【3 们。沉积物中的磷，在一 定的内因和外因下，会释放出营养物质，随着水流进入表层水中，形成内源污染。 使得沉积物中的磷释放的主要内因有：分子的扩散运动、生物体活动时产生的扰 动、水流流动、植物的上浮等等。影响其释放的外因也很多，主要有：温度、p h 、 氧化还原电位等，温度可以影响分子的热运动，从而影响分子扩散，也可以通 过影响微生物的活性来影响营养盐的释放；p h 对于营养盐释放也有一定的影响， 高的p h 值会促进底层营养盐的释放。研究表吲3 1 1 ，在富营养化的水体中，当蓝 藻水华暴发时，由于蓝藻的光合作用，致使水体p h 升高，使得沉积物营养盐释放 增加。因此在夏季，蓝藻的爆发会引发营养盐的释放，同时，衰亡的蓝藻还会释 放大量的营养盐，这一恶性循环将导致湖体内的蓝藻不断衰亡同时不断生长。 2 2 蓝藻衰亡过程中产生的藻毒素对生产生活的影响 由于蓝藻的“水华污染及其衰亡过程中细胞破裂释放藻毒素问题，被受 世界的关注。它对环境的危害，不但会污染水质，造成水生生物的死亡，而且 还是肝癌的重要诱因，因此各国也已采取了各种措施来控制蓝藻的爆发，并对 m c s 的结构、性质、危害及去除作了大量的工作。 2 2 1 藻毒素的危害及在水体中的分布 随着经济和社会的发展，水体富营养化现象越来越严重，水中蓝藻的大量爆 发也越来越频繁。多种微囊藻毒素( m i c r o e y s t i n s ，m c s ) 因为蓝藻细胞的衰亡破裂 而释放到水体中，威胁着人和畜的饮水安全、影响了渔业的健康发展，从而给人 类生产生活带来诸多不利影响【3 2 1 。目前，世界各地2 5 * , - - , 8 0 的蓝藻爆发可以产 生种类不同的m c s 。蓝藻的大范围爆发和大量的衰亡，会源源不断的释放m c s ， 5 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 2 2 3 藻毒素的理化性质 图1 - 2 三种常见的藻毒素同份异构体图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo fm c - l r , r ra n dy r m c s 易溶于水，甲醇和丙酮，在水中的溶解度大于l l 。由于它具有环状 结构和间隔双键，因而化学性质相当稳定。m c s 有很强的耐热性【4 5 1 ，在1 0 0 下水浴3 0m i n 的都不能将毒素降解，因此加热煮沸不能将其去除。m c s 仅仅能 在光照和色素存在时进行部分光解，两者同时存在时降解率可能会稍高。m c s 在紫外线的照射下极其不稳定，可以发生直接光解或异构化作用，最后丧失毒性 m 】。此外m c s 还具有不挥发性、耐p h 变化等特性，因此在实验中可以用常规 方法提取。由于m c s 不易沉淀也不易被吸附于悬浮颗粒物和沉淀物中，因此m c s 在水体中自然降解的速度十分缓慢，水体中m c s 的含量为5u g l 时，3 天以后， 被水体中各种微粒吸附仅占1 0 ，随流沙沉淀也只占7 ；m c s 在水中保持稳定 性的时间与水体的种类有关，m c s 在河水中7 天以内即会被分解，在灭菌的河 水中1 2 天后开始降解，在去离子水中可保持稳定状态长达2 7 天；自来水经过混 凝沉淀、过滤、加氯等处理措施，也不能将其中的m c s 完全去除 4 刀。 3 蓝藻应急打捞及资源化利用现状 3 1 蓝藻应急打捞的主要方法 清除蓝藻的方法包括物理、化学、生物、生化等多种方法，从对蓝藻的影响 或去向来说，将蓝藻直接清除，并移出水体，即打捞蓝藻法，这是目前非常有效 的和学术界没有争议的一种方法【4 引。目前的蓝藻打捞设备主要是移动吸藻船、吸 藻泵，人工打捞等，有时利用局部有利地形富集蓝藻，提高打捞蓝藻。打捞法去 除蓝藻时不破坏毒素结构，不需要考虑副产物的生成，去除效果较好。但是要考 8 第一章引言 虑打捞上的蓝藻的处理及二次污染问题。 目前，中国、日本、韩国等已经设计出多款打捞船，可在湖泊、河流、港口 等地方收集水面蓝藻及垃圾，提供水质净化服务。 3 2 蓝藻资源化利用的现状 将蓝藻变害为宝，进行资源化利用，符合循环经济的思想，也是人们关心的 重点之一。从物质循环角度来看，蓝藻在生长过程中大量吸收了水体中的有机污 染物，从而合成自己的植物细胞蛋白，对水体有一定的净化功能【4 9 1 。“弃之为害、 用之为宝”，蓝藻资源化利用的关键就在于合理开发与利用。蓝藻开发利用的潜 力很大，可以合成复合有机肥代替化肥，发展绿色农业；放养食藻鱼类控制蓝藻 生长，发展绿色渔业；尤其是作为提制蛋白饲料和食品添加剂的重要原料，蓝藻 更是具有一般水生植物无法比拟的优势矧。蓝藻中含有丰富的有效成分，如天然 色素、藻蛋白、多糖，同时蓝藻体内还含有多种抗生作用物质、抗肿瘤物质及酶 抑制剂等。如1 0 0 蚝的干藻可分别提取4k g 叶绿素、1 7 0g 胡萝素和1 7 0g 叶黄素【5 1 1 。 因此，将蓝藻进行资源化，应用于化工、医药、有机肥、食品添加等，是大有前 景的。 目前，螺旋藻中的藻蓝素、类胡萝卜素作为天然色素并已用于食品和化妆品 中，并进行了商业生产，但在加工和转化过程中必须跟踪蓝藻毒素的降解和去除。 在有机肥的加工过程中也同样存在这样的问题，因此蓝藻脱毒是扩大应用规模的 关键。 3 3 目前所存在的问题 目前，在蓝藻的应急打捞中，研究的重点是提高打捞效率，蓝藻的最终去处 少人问津。只注重打捞而不注重利用的效果就是，除极少一部分资源化利用外， 大部分因处理量巨大而随意弃放，不仅占用了大量的土地，而且长期放置可能会 引发恶臭污染及毒素污染地下水。同时，由于没有对蓝藻进行资源化，蓝藻打捞 费用、运输费用和后续处理费用也都将成为负担。 在蓝藻的资源化利用过程中，又涉及到如何进行资源化问题。首先就是蓝藻 的脱毒问题，是蓝藻利用的关键所在【5 2 1 。同时蓝藻打捞上来后，便开始进入衰亡 9 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 过程，不同衰亡程度的蓝藻利用价值是不相同的，如何将蓝藻的利用率最大化， 如何合理进行资源化，也是蓝藻处理要面临的一个问题。 4 本课题研究的目的、内容及主要意义 本课题正是基于巢湖蓝藻的现状及资源化利用中的主要问题，在实验室内模 拟了巢湖蓝藻衰亡过程，同时观察了在这一过程中蓝藻颜色、形态和物质变化， 并与自然条件下蓝藻的衰亡做了对比。同时估算了巢湖蓝藻爆发时的生物量，为 巢湖蓝藻的应急打捞和资源化利用提供了理论支持。 本课题的主要内容为： ( 1 ) 分析了巢湖蓝藻叶绿素a 值与蓝藻干重的关系，初步估算了巢湖蓝藻爆 发时生物量值； ( 2 ) 在实验室中模拟了经过微生物处理的蓝藻的衰亡过程，分析了在此过 程中蓝藻颜色、形态及物质变化，同时与自然条件下蓝藻的衰亡作了对比； ( 3 ) 根据实验研究，对巢湖蓝藻的资源化利用提出分析。 1 0 第二章实验材料、仪器及采样点位置 第二章实验材料、仪器及采样点位置 1 实验材料 1 1 水华蓝藻、水样和底泥 模拟蓝藻衰亡过程的藻样于2 0 0 9 年8 月2 2 日采自巢湖西半湖塘西河口。对于 测定叶绿素a 值与蓝藻干重关系的水样，于2 0 1 0 年4 月至2 0 1 0 年1 1 月采于巢湖西半 湖湖心、塘西河入口处及塘西河岸边，取含有水华蓝藻的表层水体装于采样瓶中， 保存4 冰箱。底泥取自巢湖岸边水体深度为0 5m 左右的黑色底泥，采样后装 入采样瓶中，回实验室后放入冰箱中，在4 下保存备用。 1 2 菌种来源 好氧菌种包括t 氨化细菌a 5 、硝化细菌x 5 、好氧脱硫菌s 4 ；厌氧菌种包 括：反硝化细菌f 3 、硫酸盐还原菌m 3 。以上五株菌株均为本实验室自有菌株， 其中脱氮类菌株从巢湖底泥中筛选分离而得，脱硫类菌株从火力发电厂周围土 壤及污水处理厂的活性污泥中筛选分离得到。 ， 1 3 培养基【5 3 蚓 氨化细菌a 5 的培养基：牛肉膏3 0g l 1 ，蛋白胨1 0 0g - l 1 ，n a c i5 0g l 1 ， p h7 0 - - 7 2 ，0 1 0 0 m p a ，1 2 1 3 c 灭菌2 0 m i n 。固体培养基加入2 0 琼脂粉制得。 硝化细菌x 5 的培养基：( n i - 1 4 ) 2 s 0 4o 5g l 1 ，葡萄糖5g l - 1 , n a c l0 3g l - 1 ， k 2 h p 0 41 0g l 1 ，m g s 0 4 7 h 2 00 3g l 一，f e s 0 4 7 h 2 00 0 3g - u l ，c a c l 2 h 2 0 0 0 3 学l 1 ，p h7 2 7 4 。加入2 0 的琼脂即成固体培养基，用于菌种的分离纯化。 实验中以( n i 也) 2 s 0 4 作为氨氮的来源。 反硝化细菌f 3 的培养基：k n 0 3 2 0g l 1 ，柠檬酸钠1 0 0g l - 1 ，k 2 h p 0 41 0 g l 1 ，k h 2 p 0 41 0g - l 1 ，m g s 0 4 0 2g l 1 ，微量盐2 m l ，蛋白胨1 5g l 1 ，牛肉 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 膏3g l - 1 ，p h7 2 7 4 ，o 1 0 0 m p a ，1 2 1 3 灭菌2 0 m i n 。固体培养基加入2 0 琼脂粉制得。 好氧硫化菌s 4 的培养基：k h 2 p 0 42 0g l - 1 ，n a 2 h p 0 42 0g l 1 ，n a c l3 0 g l ，蛋白胨1 5g l - 1 ，牛肉膏3g l 1 ，d b t4m 1 l 1 。固体培养基加入2 0 琼 脂粉制得。 硫酸盐还原菌m 3 的培养基：k 2 h p 0 40 5g l - 1 ，n h 4 c i1 0g l - 1 ，m g s 0 4 0 0 6 g l - 1 ，n a s 0 42 5g l ，c a c l 20 0 6g l 1 ，柠檬酸三钠o 3g l _ 1 ，乳酸钠4 0g u 1 ， 酵母膏1 0g l 1 。固体培养基加入2 0 琼脂粉制得。 1 4 好氧脱氮菌的筛选【珏明 1 4 1 制平板 按脱氮微生物的三种细菌培养基配方制备一定体积的培养基，固体培养基 加入1 5 2 o 的琼脂粉制得，三角瓶分装后放入高压蒸汽灭菌锅灭菌( 1 2 1 3 ， 2 0 m i n ) ，取出后待冷却至5 0 左右，在无菌操作台上倒平板，培养皿事先经 1 6 0 ( 2 灭菌4 h 备用。所倒得平板待用。 1 4 2 取土样，制备底泥悬浮液 称取约5 9 巢湖底泥，倒入盛有玻璃珠和1 0 0 m l 无菌水的三角烧瓶，充分振 荡( 1 6 0 r m i n ，3 5 ) 2 小时制成l o 1 底泥悬浮液。 1 a 3 稀释 取一支l m l 无菌移液管吸取0 5 m 1 1 0 1 底泥悬浮液注入盛有4 5 m l 无菌水的 试管中，另取一支l m l 的无菌移液管吸吹3 次，使充分混匀后吸取0 5 m l 注入 另一盛有4 5 m l 无菌水的试管中，以此类推制成1 0 - 2 ，1 0 3 ，1 0 - 4 ，1 0 5 ，1 0 6 ， 1 0 - 7 ，1 0 8 各种稀释度的底泥悬浮液。 1 4 4 涂布、培养 1 2 第二章实验材料、仪器及采样点位置 取一支l m l 无菌移液管吸取1 0 8 ，1 0 - 7 ，1 0 6 ，1 0 5 ，1 0 - 4 ，1 0 3 ，l o - 2 ， 底泥菌悬液各0 2 m l 于相应的平皿中，用无菌涂布棒涂布均匀。将培养皿倒置 于3 5 恒温培养箱中培养4 8 小时即可挑选菌。 观察培养4 8 小时后的平板上的菌落，将上述平板上菌落颜色不同的单个 纯菌落，进行编号，接入相应编号的平板上进行再次纯化，此操作进行2 3 次， 直到平板上的菌落形态一样。待长出菌苔后，检查菌苔是否单纯，制成显微镜 观察片，在显微镜下检查，若有其他杂菌，就要再一次进行分离纯化，直至获 得纯培养。 1 4 5 接斜面 将上述纯化后的单菌落接入试管斜面上于3 5 1 2 培养4 8 h 。对长出的纯菌落， 进行一系列细菌生理生化实验。细菌形态观察如格兰仕染色、显微镜观察形态、 生理生化实验主要有葡萄糖发酵试验、v p 实验、吲哚实验、甲基红实验以及 乳糖发酵实验等。 1 5 厌氧脱氮菌的筛选 1 5 1 制反硝化菌液体培养液 配制2 0 0 m l 反硝化液体培养基，分装于2 个2 0 0 m l 磨口锥形瓶中，1 2 1 3 1 2 灭菌2 0 m i n ，待用。同时制l o o m l 无菌水，内放入少量玻璃珠。 1 5 2 取土样，制菌悬液 取巢湖底泥约5 9 ，装入盛有l o o m l 无菌水的磨口三角瓶中，充氩气并塞上 磨口赛，振荡摇晃4 h 。取振荡摇匀后的底泥悬浮液5 m l 装入l o o m l 反硝化液体 培养基中，同时充氩气2 - 3 m i n ，塞上已灭菌的磨口锥形瓶塞。放入3 5 c 恒温厌 氧培养箱中培养3 4 天。 1 5 3 梯度稀释 取一支l m l 无菌移液管吸取0 5 m l l o - 1 底泥悬浮液注入盛有4 5 r a l 无菌水的 试管中，另取一支l m l 的无菌移液管吸吹3 次，使充分混匀后吸取0 5 m l 注入 1 3 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 另一盛有4 5 m l 无菌水的试管中，以此类推制成1 0 之，1 0 一，1 0 4 ，1 0 5 ，1 0 r 6 ， 1o 7 ，1o 8 各种稀释度的底泥悬浮液。 1 5 4 涂布、培养 取一支l m l 无菌移液管吸取1 0 一，1 0 - 7 ，1 0 r 6 ，1 0 一，l o 4 ，1 0 。，l o 之，底泥菌 悬液各0 2 m l 于相应的平皿中，用无菌涂布棒涂布均匀。将培养皿倒置于3 5 恒温厌氧培养箱中培养3 4 天即可挑选菌。 以后的操作同好氧脱氮微生物筛选操作，但所有操作必须在厌氧培养箱中完 成，并保证厌氧培养箱中的厌氧条件。 1 6 主要试剂 本实验所用的主要实验试剂如下： 表2 - 1 试剂清单 t a b l e2 - 1l i s to fr e a g e n t e s 1 4 第二章实验材料、仪器及采样点位置 2 实验仪器 本实验中所用的实验设备及仪器如下： 表2 - 2 实验仪器设备 t a b l e2 - 2e x p e r i m e n ti n s t r u m e n t s 1 5 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 3 采样点位置确定 图2 1 所示为巢湖流域位置图，由于巢湖西半湖污染严重，因此将主要采样 点设在西半湖，分别为西半湖湖心、塘西河入口及塘西河岸边。 耘建。? 鲁岛 、谨 f 一冀b 气气 ) 一一，j 一 图2 1 巢湖流域平面图 f i g 2 - 1c h a o h ul a k eb a s i np l a n 4 所采藻样的属性确定 4 1 采样时水质条件 实验所用水华藻藻样于2 0 0 9 年8 月2 2 日采自巢湖西半湖塘西河口( 1 1 7 。3 4 1 6 第二章实验材料、仪器及采样点位置 e ，3 1 。6 7 n ) ，采样时水体p h 为8 9 4 ，d o ) 白7 3 4 m g l ，c o d ( m n ) 为4 4m g l ， n h 3 - n 为0 2 7m g l 。藻样的含水量为9 8 6 3 。 4 2 藻样的藻密度确定【5 5 】 4 2 1 含藻水样的预处理 ( 1 ) 取1 l 的水样放入烧杯中( 若藻密度较大，可酌情少取，用蒸馏水稀 释至1 l ) ； ( 2 ) 在水样中加入1 2 5 m l 鲁哥氏液摇匀固定，静置沉淀一夜； ( 3 ) 用虹吸法小心吸出上层清液，将余下的1 0 0 m l 左右的水样转移至量筒 中，再用上述吸出的上清液少许，分别冲洗烧杯三次，每次冲洗一并移入量筒 中，再静置沉淀一夜； ( 4 ) 再用虹吸管小心吸出上部清液，将剩下的2 0 - - 2 5 m l 的浓缩液摇匀， 移入3 0 m l 定量棕瓶中，然后用上述吸出的上清液少许，分别冲洗沉降简三次， 每次的冲洗液一并移人上述3 0 m l 的定量棕瓶中； ( 5 ) 加入1 2 滴甲醛溶液 4 2 2 计数方法 本实验采用计数框计数。目前我国通用的计数框由玻璃条组成的方框，面 积为2 0m i n x 2 0r t l r n ，容量为o 1 m l ，框内划分横直各1 0 行格，共1 0 0 个小方 格。将计数样品充分摇匀后，迅速吸取0 1 m l 样品至计数框中，盖上盖玻片。 计数框内应无气泡。也不应有样品溢出。气温高时，为防止在长时间计数过程 中水分蒸发而出现气泡，可在盖玻片四周封以液体石蜡。 计数时，显微镜的目镜可用1 0 x ，物镜用4 0 x ( 但根据情况可加以变动) 。 为减少工作量，一般不对整个计数框内水样中的浮游植物都计数，而只选取其 中一部分样品计数。选取过程是一个次级抽样过程，故要考虑到抽样的大小和 代表性，本实验采用视野法。 4 2 3 计数算法 利用显微镜的目镜视野来选取计数的面积。先用台微尺量得在一定放大倍 1 7 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 数下的视野直径，然后按圆面积计算公式得视野面积。在计数框上选取4 0 个视 野，要分布均匀，并对藻类进行计数。进过计算可得，藻样的藻密度为2 4 0 0 0 万个l 。 4 3 藻样的藻种分类 在进行藻密度的计数时，按照蓝藻、绿藻和硅藻不同种类的藻种分别计数， 确定藻样中的优势藻。根据五次平行试验可知，此次所采集的样品中9 8 以上为 蓝藻，因此蓝藻占绝对的优势，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 藻样的藻类种属 f i g 2 - 2s a m p l e so fa l g a es p e c i e s 1 8 第三章巢湖蓝藻生物量的初步估算 第三章巢湖蓝藻生物量的初步估算 叶绿素a ( c h l a ) 是表征浮游植物生物量的最常用的指标之一，也是藻类细胞 重要组成成分【矧。所有的藻类均含有叶绿素a ，监测叶绿素a 浓度的变化是监测水 体蓝藻爆发最直接、最有效的手段 5 7 4 5 】。本实验于2 0 1 0 年4 月至2 0 1 0 年l o f j 密集 监测了巢湖西半湖湖心、塘西河入湖口及塘西河岸边三点水样的叶绿素a 值浓度， 由此分析了巢湖西半湖叶绿素浓度变化，同时建立了叶绿素a 值与蓝藻干重的线 性关系，并初步估算了巢湖蓝藻的生物量。对蓝藻生物量的估算，为以后对巢湖 蓝藻的应急打捞提供了科学依据。 1 材料与方法 1 1 采样地点 在2 0 l o 年4 月至2 0 1 0 年1 0 月之间，在符合采样条件的情况下，每隔3 天时间， 对巢湖西半湖的三个位点进行了表层水样采集。 1 2 实验方法 1 2 1 不同采样点叶绿素a 值测定 采集不同采样点的表层水样( o 5 m ) ，采样后立即用叶绿素荧光测定仪测定 其数值。 1 2 2 叶绿素a 值与蓝藻干重分析 取不同叶绿素a 浓度的水样各l l ，将水样经过o 2 2 1 tm 微孔滤膜过滤，然 后测定水样中蓝藻的重量( 1 0 5 c 下蓝藻的干重) ，建立数学模型，寻找两者之 间的数量关系。 1 2 3 巢湖蓝藻生物量的初步估算 根据叶绿素a 值与蓝藻干重的相关系数，初步估算2 0 1 0 年巢湖蓝藻最低生 物量。 2 结果与分析 1 9 蓝藻衰亡过程中颜色、形态变化及资源化分析研究 2 1 不同位点叶绿素a 值时空变化分析